Por quase um século, cientistas ao redor do mundo têm procurado por matéria escura – uma substância invisível que se acredita compor cerca de 80% da massa do universo e que é necessária para explicar uma variedade de fenômenos físicos. Diversos métodos foram utilizados na tentativa de detectar a matéria escura, desde tentativas de produzi-la em aceleradores de partículas até a busca por radiação cósmica que ela possa emitir no espaço. No entanto, mesmo hoje, muito pouco se sabe sobre as propriedades fundamentais dessa matéria. Embora funcione nos bastidores, acredita-se que a matéria escura influencie a matéria visível, mas de maneiras tão sutis que atualmente não podem ser medidas diretamente.
Cientistas acreditam que, se um relógio nuclear for desenvolvido – aquele que usa o núcleo atômico para medir o tempo com extrema precisão – até mesmo as menores irregularidades em seu tique-taque poderiam revelar a influência da matéria escura. No ano passado, físicos na Alemanha e em Colorado fizeram um avanço em direção à construção de tal relógio, utilizando o elemento radioativo tório-229. Quando pesquisadores do grupo de física teórica do Prof. Gilad Perez no Instituto Weizmann de Ciências souberam desse feito, reconheceram uma nova oportunidade para avançar na busca pela matéria escura, mesmo antes de um relógio nuclear totalmente funcional se tornar realidade. Em colaboração com a equipe alemã, eles publicaram recentemente um estudo na Physical Review X propondo um novo método para detectar a influência da matéria escura sobre as propriedades do núcleo de tório-229.
Assim como empurrar uma criança em um balanço exige o timing certo para manter um movimento suave e consistente, um núcleo atômico também possui uma frequência de oscilação ideal, conhecida na física como frequência de ressonância. A radiação exatamente nessa frequência pode fazer o núcleo “balançar” como um pêndulo entre dois estados quânticos: um estado fundamental e um estado de alta energia. Na maioria dos materiais, essa frequência de ressonância é alta, exigindo radiação forte para excitar o núcleo. Mas, em 1976, cientistas descobriram que o tório-229, um subproduto do programa nuclear dos EUA, era uma rara exceção. Sua frequência de ressonância natural é baixa o suficiente para ser manipulada por tecnologia de laser padrão usando a radiação ultravioleta relativamente fraca. Isso fez do tório-229 um candidato promissor para o desenvolvimento de um relógio nuclear, no qual o tempo é medido pelo núcleo “balançando” entre estados quânticos como um pêndulo em um relógio tradicional.
“Um relógio nuclear seria o detector definitivo – capaz de perceber forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, com 100.000 vezes a resolução das buscas atuais por matéria escura”
No entanto, o progresso no relógio nuclear estagnou na primeira etapa, quando cientistas tentaram medir a frequência de ressonância do tório-229 com a máxima precisão. Para determinar a frequência de ressonância de um núcleo, os físicos iluminam ele com um laser em diferentes frequências e observam quanta energia ele absorve ou emite ao transitar entre estados quânticos. A partir desses resultados, constroem um espectro de absorção, e a frequência que causa a absorção máxima é considerada a frequência de ressonância do núcleo.
Por quase cinco décadas, os cientistas não conseguiram medir a frequência de ressonância do tório-229 com precisão suficiente para construir um relógio nuclear, mas o ano passado trouxe dois grandes avanços. Primeiro, um grupo do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) publicou medições relativamente precisas. Alguns meses depois, uma equipe da Universidade de Colorado divulgou resultados que eram milhões de vezes mais precisos.
“Ainda precisamos de uma precisão ainda maior para desenvolver um relógio nuclear,” diz Perez, “mas já identificamos uma oportunidade para estudar a matéria escura.” Ele explica: “Em um universo composto apenas de matéria visível, as condições físicas e o espectro de absorção de qualquer material permaneceriam constantes. Mas, como a matéria escura nos rodeia, sua natureza ondulatória pode mudar sutilmente a massa dos núcleos atômicos e causar deslocamentos temporários em seu espectro de absorção. Hipotetizamos que a capacidade de detectar desvios minúsculos no espectro de absorção do tório-229 com grande precisão poderia revelar a influência da matéria escura e ajudar a estudá-la.”
Os cálculos teóricos feitos pela equipe – liderada pelo Dr. Wolfram Ratzinger do grupo de Perez e outros pós-doutorandos – mostraram que as novas medições poderiam detectar a influência da matéria escura mesmo que ela fosse 100 milhões de vezes mais fraca que a gravidade, uma força que é, por si mesma, fraca e raramente nos passa pela cabeça no cotidiano. “Esta é uma área onde ninguém ainda procurou por matéria escura,” diz Ratzinger. “Nossos cálculos mostram que não é suficiente buscar deslocamentos na frequência de ressonância sozinha. Precisamos identificar mudanças em todo o espectro de absorção para detectar o efeito da matéria escura. Embora ainda não tenhamos encontrado essas mudanças, estabelecemos as bases para entendê-las quando elas aparecerem. Uma vez que detectarmos um desvio, poderemos usar sua intensidade e a frequência em que aparece para calcular a massa da partícula de matéria escura responsável. Posteriormente, no estudo, também calculamos como diferentes modelos de matéria escura afetariam o espectro de absorção do tório-229. Esperamos que isso, em última instância, ajude a determinar quais modelos são precisos e do que a matéria escura realmente é feita.”
Enquanto isso, laboratórios ao redor do mundo continuam a refinar a medição da frequência de ressonância do tório-229, um processo que se espera levar anos. Se um relógio nuclear for finalmente desenvolvido, ele poderá revolucionar muitos campos, incluindo navegação terrestre e espacial, comunicações, gerenciamento de redes elétricas e pesquisa científica. Os dispositivos de medição de tempo mais precisos hoje são os relógios atômicos, que se baseiam na oscilação de elétrons entre dois estados quânticos. Estes são altamente precisos, mas têm uma desvantagem significativa: eles são vulneráveis a interferências elétricas do ambiente, o que pode afetar sua consistência. Os núcleos dos átomos, por outro lado, são muito menos sensíveis a tais perturbações.
Números da Ciência
De acordo com um modelo líder de matéria escura, a substância misteriosa é composta por incontáveis partículas, cada uma com uma massa pelo menos 1.000.000 de vezes menor que a de um único elétron.
“Quando se trata de matéria escura,” diz Perez, “um relógio nuclear baseado em tório-229 seria o detector definitivo. Neste momento, a interferência elétrica limita nossa capacidade de usar relógios atômicos na busca. Mas um relógio nuclear nos permitiria detectar desvios incrivelmente sutis em seu tique-taque – isto é, pequenas mudanças na frequência de ressonância – que poderiam revelar a influência da matéria escura. Estimamos que ele nos permitirá detectar forças 10 trilhões de vezes mais fracas que a gravidade, fornecendo uma resolução 100.000 vezes melhor do que temos atualmente em nossa busca por matéria escura.”
O Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) recentemente concedeu uma Subvenção Avançada do ERC ao grupo do Prof. Perez para apoiar o desenvolvimento contínuo dessa linha de pesquisa. Também participaram do estudo a Prof. Elina Fuchs e a Dra. Fiona Kirk do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha, e da Universidade Leibniz de Hannover, Alemanha; Dr. Eric Madge e Chaitanya Paranjape do grupo de Perez no Departamento de Física de Partículas e Astrofísica do Weizmann; e o Prof. Ekkehard Peik e o Dr. Johannes Tiedau do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB), Braunschweig, Alemanha.
